中國科學家構建世界首臺超越早期經典計算機的光量子計算機

　　3日，科研人員在中科院量子資訊和量子科技創新研究院上海實驗室內調整操作檯上的鐳射干擾器。

　　新華社記者 方 喆攝

　　日前，中國科學技術大學潘建偉教授及其同事陸朝陽教授、朱曉波教授等，聯合浙江大學王浩華教授研究組，在基於光子和超導體系的量子計算機研究方面取得了系列突破性進展。3日，該研究團隊正式釋出了這一系列研究成果。

　　潘建偉在現場宣佈，在光學體系，研究團隊在去年首次實現十光子糾纏操縱的基礎上，利用高品質量子點單光子源構建了世界首臺超越早期經典計算機的光量子計算機。

　　在超導體系，研究團隊打破了之前由谷歌、NASA（美國國家航空航天局）和UCSB（加州大學聖塔芭芭拉分校）公開報導的9個超導量子位元的操縱，實現了目前世界上最大數目（10個）超導量子位元的糾纏，並在超導量子處理器上實現了快速求解線性方程組的量子演算法。

　　系列成果已發表在國際權威學術期刊《自然光子學》，即將發表在《物理評論快報》上。

　　傳統電子計算機要算15萬年的難題，量子計算機只需1秒

　　1981年，美國物理學家費曼指出，由於量子系統具有天然的並行處理能力，用它所實現的計算機很可能會遠遠超越經典計算機。1994年，麻省理工學院的Peter Shor教授提出分解大質因數的高效量子演算法，量子計算引發了世界各國的強烈興趣。

　　“由於量子位元是0和1的疊加態，在原理上具有超快的平行計算和模擬能力，計算能力隨可操縱的粒子數呈指數增長。這一特點使得量子計算可為經典計算機無法解決的大規模計算難題提供有效解決方案。”潘建偉說，“比如，300位10進位制那麼長數，用我們目前萬億次的傳統電子計算機拿來算的話，大概需要算15萬年。但如果能夠造出一臺量子計算機，它計算的頻率也是萬億次的話，只需要1秒鐘就可以算完。從這個角度上講，量子的平行計算能力是非常強大的。”

　　此外，一臺操縱50個微觀粒子的量子計算機，對特定問題的處理能力可超過超級計算機。

　　那哪些算特定問題呢？

　　朱曉波說：“比如說大數字分解，這個是用於現在加密的一個標準的演算法。那麼你如果能解一個大數字分解，就能解密現在很多的加密演算法。如果很多加密演算法都失效了，國家金融安全、軍事安全等都會受到嚴重影響。還有，量子計算機做到一定規模之後，很有可能實現大資料的快速搜尋，以後在解決搜尋問題的時候就具有巨大的優勢。”

　　據專家介紹，根據各物理體系內在優勢及其在實現多粒子相干操縱和糾纏方面的發展現狀和潛力，目前，國際學術界在基於光子、超冷原子和超導線路體系的量子計算技術發展上總體較為領先。

　　研究仍處早期，我國計劃在年底實現大約20個光量子位元的操縱

　　多粒子糾纏的操縱作為量子計算的核心資源，一直是國際角逐的焦點。在光子體系，潘建偉團隊在多光子糾纏領域始終保持著國際領先水平，並於2016年底把紀錄重新整理至十光子糾纏。在此基礎上，團隊此次利用自主發展的綜合效能國際最優的量子點單光子源，通過電控可程式設計的光量子線路，構建了針對多光子“玻色取樣”任務的光量子計算原型機。

　　潘建偉說：“實驗測試表明，該原型機的‘玻色取樣’速度不僅比國際同行類似的之前所有實驗加快至少2.4萬倍，同時，通過和經典演算法比較，也比人類歷史上第一臺電子管計算機（ENIAC）和第一臺電晶體計算機（TRADIC）執行速度快10—100倍。”

　　這是歷史上第一臺超越早期經典計算機的基於單光子的量子模擬機，為最終實現超越經典超級計算能力的量子計算這一國際學術界稱之為“量子稱霸”的目標奠定了堅實的基礎。

　　“量子計算領域有幾個大家共同努力的指標性節點：第一，展示超越首臺電子計算機的計算能力；第二，展示超越商用CPU的計算能力；第三，展示超越超級計算機的計算能力。我們實現的只是其中的第一步，也是一小步，但是是重要的一步。”潘建偉說。

　　“朝著這個目標，我們研究團隊將計劃在今年年底實現大約20個光量子位元的操縱，將接近目前最好的商用CPU。”陸朝陽說。

　　但由於高精度量子操控技術的極端複雜性，目前量子計算研究仍處於早期發展階段。“像經典計算機那樣具有通用功能的量子計算機最終能否研製成功，對整個科學界還是個未知數。”潘建偉說。

　　在資訊保安、醫學檢測、導航等方面，量子技術未來將極大地改變生活

　　隨著大資料時代的到來，對計算能力的需求可以用一個詞來形容，就叫做“貪得無厭”。同時，計算能力的強弱也對社會的發展起著至關重要的作用。當人們能夠把資料裡面有效的資料結果都通過計算給提取出來的話，每一個資料才會成為真正的財富。

　　談到量子計算機未來的應用前景，潘建偉充滿信心：“我認為量子技術領域目前主要有幾個方面離實用非常近：量子通訊主要是用在保密方面，它可以大大提高資訊保安水平。除此之外，量子計算可能很快在某些特定計算方面超越目前傳統的超級計算。這些技術在醫學檢測、藥物設計、基因分析、各種導航等方面也將起到巨大的作用，會給我們的生活帶來極大的改變。比如，我們現在的天氣預報只能預報幾天，因為如果要預報第六天、第七天，計算的時間可能需要100天，而100天后再來預測第六七天的天氣就沒什麼意義了。”

　　據潘建偉介紹，在我國即將啟動的量子通訊和量子計算機的重大專案裡，對光、超導、超冷原子等方向上都已經做了相應的佈局。

　　“在以後的10到15年裡，量子技術領域的競爭將是非常激烈的。比如英國啟動了國家量子技術專項、歐盟啟動了量子旗艦專項、美國在論證相應的計劃。包括谷歌、IBM、微軟等在內的一些美國公司也都介入到相關研發了。”潘建偉說。

　　■延伸閱讀

　　多個狀態同時疊加 不可分割不可克隆

　　量子世界裡，真的很神祕

　　量子是什麼？量子是最小的、不可再分割的能量單位。這個概念誕生於1900年，物理學家普朗克在德國物理學會上公佈了他的成果，成為量子論誕生和新物理學革命宣告開始的偉大時刻。

　　分子、原子、電子，其實都是量子的不同表現形式。可以說，我們的世界是由量子組成的。

　　中國科學技術大學教授朱曉波說，在巨集觀世界裡，物體的位置、速度等運動規律，都可以通過牛頓力學精確地測算。但在量子微觀世界裡，有著與巨集觀世界截然不同的規則。

　　量子的神祕之處首先體現在它的“狀態”。在巨集觀世界裡，任何一個物體在某一時刻有著確定的狀態和確定的位置。但在微觀世界裡，量子卻同時處於多種狀態和多個位置的“疊加”。

　　量子力學的開創者之一、奧地利物理學家薛定諤曾用一隻貓來比喻量子態疊加：箱子裡有一隻貓，在巨集觀世界中它要麼是活的，要麼是死的。但如果在量子世界中，它同時處於生和死兩種狀態的疊加。

　　量子的狀態還經不起“看”。也就是說，如果你去測量一個量子，那麼它就會從多個狀態、多個位置，變成一個確定的狀態和一個確定的位置。如果你開啟“薛定諤的箱子”，貓的疊加狀態就會消失，你會看到一隻活貓或一隻死貓。

　　如果說一個量子已經很“奇怪”，那麼當兩個量子“糾纏”在一起，那種不確定性更強了。根據量子力學理論，如果兩個量子之間形成了“糾纏態”，那麼無論相隔多遠，當一個量子的狀態發生變化，另一個量子也會超光速“瞬間”發生如同心靈感應的變化。

　　雖然直至今天，人類仍然還沒搞清楚量子為何如此神祕，但國際主流學界已經接受了量子這種特殊性的客觀存在。更重要的是，人們可以利用量子的奇異特性開發創新型應用，比如量子通訊和量子計算。

　　量子通訊是科學界利用量子特性最早開發的資訊應用，其“不可分割”“測不準”“不可克隆”等特性，使得理論上“絕對安全”的量子通訊成為可能。

　　而基於量子的疊加態與糾纏特性，量子計算機被認為將是最具威力的量子資訊應用。未來，其超級計算能力的實現，將為金融分析、氣象預報等大規模計算提供全新的方案。量子計算機還可以通過“模擬”，來解決科學研究中的一些未解之謎。

原文釋出時間為：2017年05月10日
本文作者：吳月輝
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